Kristalle sind überall


Von Karl Sumereder

In der Erkenntnis, dass unser Verständnis der materiellen Beschaffenheit der Welt speziell auf den Kenntnissen der Kristallographie gründet, und um die Errungenschaften dieser Wissenschaft für den wissenschaftlichen Fortschritt und deren Beitrag zum Wohlstand der Menschheit aufmerksam zu machen, hat die Generalversammlung der Vereinten Nationen das abgelaufene Jahr zum Internationalen Jahr der Kristallographie erklärt. Eine Absicht war auch, dieser Wissenschaftsdisziplin einen höheren Stellenwert einzuräumen. Denn ihr wissenschaftlicher Beitrag für die Medizin und Technik ist breiten Kreisen der Bevölkerung weitgehend unbekannt. 

Die Kristallographie ist in unserem Alltag, bei der Entwicklung neuer Medikamente, in der Nanotechnologie und in der Biotechnologie allgegenwärtig. Sie liegt der Entwicklung neuer Materialien von der Zahncreme bis zum Flugzeug- oder Raketenteil zugrunde. Überall in unserem Leben finden sich Kristalle. Im Haushalt im Kochsalz oder im Zucker. In der Apotheke in Kopfschmerztabletten oder in der Form eines edlen Diamantenschmuckes beim Juwelier. 

Die meisten von uns stellen sich unter Kristallen nur symmetrisch geformte Mineralien vor. Kristalle durchdringen aber unser gesamtes Leben. Knochen beispielsweise werden erst durch Kalzium- und Phosphatkristalle hart und stabil. Die Bildschirme der Mobiltelefone bestehen aus Flüssigkristallen. (Als Flüssigkristall bezeichnet man eine Substanz, die einerseits flüssig ist, andererseits aber auch richtungsabhängige physikalische Eigenschaften wie ein Kristall aufweist.) 

Die Wissenschaftsdisziplin Kristallographie beschäftigt sich speziell mit dem atomaren Aufbau von Kristallen. Sie ist in mehreren Fächern, wie der Chemie, Physik und Medizin beheimatet. Sie hat mit ihren Methoden wichtige Beiträge dazu geleistet, kristalline Strukturen aufzudecken und dadurch die Beschaffenheit der Welt besser zu verstehen. Unter anderem half sie dabei, die Struktur des DNA-Erbmoleküls zu entschlüsseln. 

Die Kristallographie ist eine Materialwissenschaft, genauer die Wissenschaft von den Kristallen, die physikalische und chemische Parameter von Kristallen bestimmt und die die in diesen auftretenden physikochemischen Prozessen untersucht. Die untersuchten Kristalle können natürlichen (Minerale) oder synthetischen (Keramiken, Metalle) Ursprungs sein. Es kann sich dabei nicht nur um anorganische, sondern auch um organische Stoffe, wie biologische Makromoleküle, wie beispielsweise Proteine, handeln. 

Wortherkunft 

Der Begriff Kristall stammt vom griechischen Wort „krystallos“. Dieses bedeutete zunächst bei Homer (weder Geburtsort noch Geburts- und Todesdaten sind bekannt), dem Autor der Ilias und Odyssee, „Eis“. Auch Eiseskälte, Frost, alles dem Eis Ähnliche, Helle und Durchsichtige. Strabon (etwa 63 v. u. Z. bis 23 n. u. Z.), ein griechischer Geschichtsschreiber, Geograph und Philosoph, oder Claudius Aelianus (etwa 175 bis 235 n. u. Z.), ein römischer Sophist und Rhetoriklehrer, haben farbige Edelsteine, Bergkristalle und Glas als „krystallos“ benannt. 

Bei dem bereits im antiken Griechenland betriebenen Bergbau wurden wahrscheinlich Quarzkristalle entdeckt. Sie wurden für Eis gehalten, das bei so tiefen Temperaturen entstanden sein müsse, dass es nicht mehr schmelzen könne. Eine solche Ansicht war bis in das frühe Mittelalter verbreitet. Über das lateinische „crystallus“ hat sich die althochdeutsche Bezeichnung „kristallo“ gebildet, die sich im Laufe der Zeit zu Krystall, Kristall gewandelt hat. 

Heute versteht man unter einem Kristall einen Festkörper, dessen Bausteine Atome, Ionen, Moleküle nicht zufällig, sondern regelmäßig in einer Kristallstruktur angeordnet sind. Gemäß der Internationalen Kristallographischen Union wird ein Kristall durch seine diskreten Beugungsordnungen bei Beleuchtung mit Röntgenstrahlen definiert. Ein Kristall weist eine Fernordnung auf, ist aber nicht zwangsläufig periodisch. Diese Definition wurde durch die 1984 entdeckten Quasikristalle erzwungen, die eine Untergruppe der aperiodischen Kristalle bilden. Die periodischen Kristalle stellen aber die bei weitem größte Untergruppe der Kristalle dar. 

Historischer Rückblick

Die Kristallographie ist historisch gesehen ein Teilgebiet der Mineralogie, aus der sie hervorgegangen ist. Erste Ansätze zu einer systematischen Beschreibung von Mineralien gab es bereits in der Antike. So bei Theophrastos von Eresos (371–287 v. u. Z.), sowie speziell der Kristalle im Werk: „Naturalis historia“ von Plinius dem Älteren (26–79 n. u. Z.), der den oktaedrischen Kristallhabitus und die extreme Härte von Diamanten beschrieb. Im 1546 erschienenen Buch „De natura fossilium“ teilte der sächsische Gelehrte Georgius Agricola Minerale nach ihren physikalischen Eigenschaften ein und kommentierte deren geometrische Formen. Johannes Kepler gelangte 1611 bei seiner Analyse des Aufbaus der sechseckigen Schneeflocken zu der dann nach ihm benannten Kepler-Vermutung über die bestmögliche Kugelverpackung und dass sie eine symmetrische Form haben. Diese Erkenntnis leitete eine breitere Untersuchung der Rolle der Symmetrie in der Mathematik und Physik ein. 

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen an Kristallen betrafen ihre äußere Form und ihre geometrischen Eigenschaften. Nikolaus Steno entdeckte 1669 das Gesetz der Winkelkonstanz, dem zufolge die Winkel zwischen kristallographisch gleichen Flächen desselben Minerals stets gleich groß sind. Der französische Mineraloge, einer der Mitbegründer der Wissenschaftsdisziplin Kristallographie, René-Just Haüy war der erste, der den Begriff der Symmetrie in einer formalen Definition mit dem 1801 formulierten „Dekreszenzgesetz“ und dem „Symmetriegesetz“ einführte. 

Die moderne Kristallographie 

Die Anfänge der modernen Kristallographie liegen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. 

Max von Laue gelang 1912 mit Hilfe der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen der Beweis, dass Kristalle dreidimensional aufgebaut sind. Wegen der regelmäßigen Anordnung der Atome werden die Strahlen nur in wenige Richtungen abgelenkt. Mit der Ausmessung der Richtung und der Intensität dieser Strahlen kann man auf die Kristallstruktur von Materialien schließen. Graphit und Diamant bestehen beide aus Kohlenstoff. Ihre Materialeigenschaften und ihre Kristallstruktur sind aber extrem unterschiedlich. Von Laue erhielt für seine Entdeckung 1914 den Nobelpreis für Physik. 

Die große Bedeutung der Kristallographie erweist sich heute in den Bereichen Ernährung, Wasser, Energie sowie in der chemischen Industrie und im Gesundheitsbereich. Die Kristallographie ist unverzichtbar bei der Bewältigung von Krankheiten und Umweltproblemen durch die Identifizierung von Protein- und Kleinmolekülstrukturen. Dies ist wesentlich für die Entwicklung von Medikamenten und für Lösungen in den Bereichen der Pflanzen- und Bodenkontamination. Man lernte Computerspeicher zu konstruieren und weiß, wie kristalline Proteine in Körperzellen wachsen. 

Der amerikanische Chemiker B. Summer ebnete mit seiner Entdeckung, dass sich Enzyme kristallisieren lassen, den Weg zur modernen Strukturbiologie, wofür er 1946 den Chemienobelpreis erhielt. In der Folge gelang es, die Struktur von komplexen Molekülen, wie Hämoglobin und Desoxyribonukleinsäure (DNA), aufzuklären. 

Auch bei der Sezierung materieller Objekte oder der Entwicklung neuer Materialien kommt man ohne die Unterstützung durch die Kristallographie nicht aus. Das gilt für die Analyse von Mond-, Mars- und Kometengestein ebenso wie für die Entwicklung von Flüssigkristall- Bildschirmen. Selbst bei der Kreation von zart schmelzender Schokolade oder der Fabrikation von Bratpfannen mit Anti-Haftbeschichtung ist die Kristallographie unverzichtbar. 

Diese Wissenschaft spielt auch eine unterstützende Rolle bei der Entwicklung spezieller Nutzpflanzen, beim Kampf gegen die zunehmende Resistenz von Bakterien oder bei der Qualitätskontrolle von pharmazeutischen Wirkstoffen und Medikamenten.

Die Kristallographie nutzt heutzutage hochmoderne Analysemethoden unter Verwendung von Synchrotronstrahlung und Röntgenlasern, um komplexe Strukturen und das Verhalten von Werk- und Wirkstoffen auf der molekularen Ebene zu verstehen. 

Die bedeutsamen wissenschaftlichen Errungenschaften durch die Kristallographie zeigen sich an 23 Nobelpreisen, die auf diesem Gebiet inzwischen verliehen wurden. 

Die Kristalle und die Philosophie 

Beispielsweise hat sich in der Neuzeit der renommierte Philosoph Karl Raimund Popper (1902–1994) im: „Das Ich und sein Gehirn“, 1977, mit dem Phänomen der Kristallisation auseinandergesetzt. Er hat dazu ausgeführt, dass kristalline Gebilde, aus denen unsere Umwelt überwiegend besteht, feste physikalische Systeme, eine Struktur von Kristallen sind. Ein Gitter von Molekülen, das ebenso wie die Atome in den Molekülen, durch elektrische Kräfte zusammengehalten wird. Gemäß Popper haben Atome oder Elementarteilchen keinesfalls, wie bestimmte Philosophieschulen (Panpsychismus) der Ansicht sind, so etwas wie eine Innenansicht oder ein Gedächtnis. Andererseits existiere aber das Phänomen, dass in der unbelebten Materie durchaus gedächtnisartige Zustände vorkommen. Eine Eisenstange „erinnere sich“ an die Erfahrung der Magnetisierung. Ein wachsender Kristall „erinnere sich“ an einen Fehler in seiner Struktur und überbaue ihn beim Weiterwachsen. 

Bis heute bildet die Kristallographie einen entscheidenden Nährboden für die Grundlagenforschung. Sie wird als Fachrichtung des Studiengangs Mineralogie studiert. Kristallographische Lehrinhalte werden auch in den Bachelor- und Masterstudiengängen „Geowissenschaften“ vermittelt. Vorlesungen über Kristallographie sind auch Teil der Studienrichtungen Physik, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. In allen diesen Fachrichtungen ist modernes Wissen ohne Kristallographie nicht mehr denkbar.

Bearbeitungsstand: Freitag, 27. März 2015

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